Količina kiseonika u Zemljinoj atmosferi čini je planetom pogodnom za život.
Dvadeset jedan odsto atmosfere sastoji se od ovog životvornog elementa. Ali u dubokoj prošlosti – još u neoarhejsko doba pre 2,8 do 2,5 milijardi godina – ovaj kiseonik je bio skoro odsutan.
Dakle, kako je Zemljina atmosfera postala oksigenisana?
Naše istraživanje, objavljeno u Nature Geoscience, dodaje uzbudljivu novu mogućnost: da je barem deo Zemljinog ranog kiseonika došao iz tektonskog izvora putem kretanja i uništavanja Zemljine kore.
Arhejski eon predstavlja jednu trećinu istorije naše planete, od pre 2,5 milijardi godina do pre 4 milijarde godina.
Ova vanzemaljska Zemlja bila je vodeni svet, prekriven zelenim okeanima, obavijen metanskom izmaglicom i potpuno bez višećelijskog života. Još jedan vanzemaljski aspekt ovog sveta bila je priroda njegove tektonske aktivnosti.
Na savremenoj Zemlji, dominantna tektonska aktivnost se naziva tektonika ploča, gde okeanska kora – najudaljeniji sloj Zemlje ispod okeana – tone u Zemljin omotač (područje između Zemljine kore i njenog jezgra) u tačkama konvergencije koje se nazivaju zone subdukcije.
Međutim, postoji značajna debata o tome da li je tektonika ploča delovala još u arhejskoj eri.
Jedna od karakteristika savremenih subdukcionih zona je njihova povezanost sa oksidovanim magmama.
Ove magme nastaju kada se oksidovani sedimenti i dna vode – hladna, gusta voda blizu dna okeana – unesu u Zemljin omotač. Ovo proizvodi magmu sa visokim sadržajem kiseonika i vode.
Naše istraživanje je imalo za cilj da ispita da li odsustvo oksidovanih materijala u arhejskim dno vodama i sedimentima može sprečiti stvaranje oksidovane magme.
Identifikacija takve magme u neoarhejskim magmatskim stenama mogla bi da pruži dokaz da su se subdukcija i tektonika ploča dogodile pre 2,7 milijardi godina.
Prikupili smo uzorke granitoidnih stena starih od 2750 do 2670 miliona godina iz cele potprovincije Abitibi-Vava u Provinciji Superior – najvećeg očuvanog arhejskog kontinenta koji se proteže preko 2.000 kilometara (1.243 milje) od Vinipega do dalekog istoka Manitoba Kuebec.
Ovo nam je omogućilo da istražimo nivo oksidacije magme koja je nastala tokom neoarhejske ere.
Merenje oksidacionog stanja ovih magmatskih stena – formiranih hlađenjem i kristalizacijom magme ili lave – je izazovno. Događaji nakon kristalizacije su možda modifikovali ove stene kroz kasniju deformaciju, sahranjivanje ili zagrevanje.
Dakle, odlučili smo da pogledamo mineral apatit koji je prisutan u kristalima cirkona u ovim stenama.
Kristali cirkona mogu izdržati intenzivne temperature i pritiske događaja nakon kristalizacije. Oni zadržavaju tragove o okruženju u kojem su prvobitno formirani i daju preciznu starost za same stene.
Mali kristali apatita koji su manji od 30 mikrona široki – veličine ćelije ljudske kože – zarobljeni su u kristalima cirkona. Sadrže sumpor. Merenjem količine sumpora u apatitu možemo utvrditi da li je apatit izrastao iz oksidovane magme.
Bili smo u mogućnosti da uspešno izmerimo fugabilnost kiseonika originalne arhejske magme – što je u suštini količina slobodnog kiseonika u njoj – koristeći specijalizovanu tehniku pod nazivom Spektroskopija rendgenske apsorpcije blizu ivice (S-KSANES) na sinhrotronu Advanced Photon Source u Nacionalnoj laboratoriji Argonne u Ilinoisu.
Otkrili smo da se sadržaj sumpora u magmi, koji je u početku bio oko nule, porastao na 2.000 delova na milion oko 2705 miliona godina. Ovo je ukazivalo na to da su magme postale bogatije sumporom.
Pored toga, dominacija S6+ – vrste jona sumpora – u apatitu sugeriše da je sumpor iz oksidovanog izvora, što odgovara podacima iz kristala cirkona domaćina.
Ova nova otkrića pokazuju da su se oksidovane magme formirale u neoarhejskoj eri pre 2,7 milijardi godina. Podaci pokazuju da nedostatak rastvorenog kiseonika u arhejskim okeanskim rezervoarima nije sprečio formiranje oksidovane magme bogate sumporom u zonama subdukcije.
Kiseonik u ovim magmama mora da je došao iz drugog izvora i na kraju je pušten u atmosferu tokom vulkanskih erupcija.
Otkrili smo da je pojava ovih oksidisanih magmi u korelaciji sa glavnim događajima mineralizacije zlata u Provinciji Superior i Jilgarn Kratonu (Zapadna Australija), pokazujući vezu između ovih izvora bogatih kiseonikom i formiranja rudnih ležišta svetske klase.
Implikacije ovih oksidovanih magmi prevazilaze razumevanje rane geodinamike Zemlje. Ranije se smatralo da je malo verovatno da bi arhejske magme mogle biti oksidirane, kada okeanska voda i stene ili sedimenti okeanskog dna nisu.
Iako je tačan mehanizam nejasan, pojava ovih magmi sugeriše da proces subdukcije, gde se okeanska voda prenosi stotinama kilometara u našu planetu, generiše slobodan kiseonik. Ovo zatim oksidira gornji sloj.
Naša studija pokazuje da je arhejska subdukcija mogla biti vitalni, nepredviđeni faktor u oksigenaciji Zemlje, ranim dahovima kiseonika pre 2,7 milijardi godina, kao i Velikom oksidacionom događaju, koji je označio povećanje atmosferskog kiseonika za dva procenta od 2,45 do 2,32 pre milijardu godina.
Koliko znamo, Zemlja je jedino mesto u Sunčevom sistemu – prošlost ili sadašnjost – sa tektonikom ploča i aktivnom subdukcijom. Ovo sugeriše da bi ova studija mogla delimično da objasni nedostatak kiseonika i, na kraju, život na drugim stenovitim planetama iu budućnosti.
David Mole, postdoktorski saradnik, Nauke o Zemlji, Univerzitet Laurentian; Adam Čarls Sajmon, profesor Artur F. Turnau, nauke o Zemlji i životnoj sredini, Univerzitet u Mičigenu, i Sjujang Meng, postdoktorski saradnik, Nauke o Zemlji i životnoj sredini, Univerzitet u Mičigenu
